行波管電子槍設(shè)計(jì)中的熱分析

電子槍在工作過程中產(chǎn)生的高溫易導(dǎo)致各個(gè)組件變形，影響電子槍的各項(xiàng)性能指標(biāo)和工作壽命，熱分析在提高電子槍設(shè)計(jì)的可靠性和加快研制周期方面起著重要的作用。該文使用ANSYS軟件對(duì)行波管電子槍進(jìn)行了熱分析和結(jié)構(gòu)分析，比較了電子槍復(fù)雜模型和簡(jiǎn)化模型的溫度和熱形變計(jì)算結(jié)果。熱分析結(jié)果對(duì)電子槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。
關(guān) 鍵 詞 電子槍; ANSYS軟件; 行波管; 熱分析

電子槍在各種電子器件中有著廣泛的應(yīng)用，如顯像管、示波器、行波管等，其任務(wù)是產(chǎn)生一束具有一定能量的高速細(xì)束電子流。不同的電子儀器中對(duì)電子注的直徑、形狀、電流密度等有不同的要求，而電子槍中各個(gè)電極的形狀和電壓對(duì)電子注的粗細(xì)、形狀都有影響[1]。
行波管是微波器件中高功率、寬頻帶放大器的主要管型，大量用作衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗和雷達(dá)系統(tǒng)的放大級(jí)或發(fā)射功率源。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，行波管的性能和技術(shù)指標(biāo)有了很大提高，但隨之也帶來了高的熱負(fù)載。高溫對(duì)行波管的可靠性與穩(wěn)定性影響很大，定性和定量地研究溫度對(duì)行波管各部分參數(shù)的影響，為解決行波管的穩(wěn)定性和可靠性提供了有效途徑。對(duì)于行波管的關(guān)鍵部件電子槍，尤其是陰極組件，其熱形變將直接影響電子束的質(zhì)量，這個(gè)問題一直受到人們的關(guān)注。由于電子槍的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其溫度分布和熱形變的解析解很難得到，因此早期熱形變對(duì)電子槍性能影響的分析工作開展較少。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些大型模擬軟件應(yīng)運(yùn)而生，給各種熱分析工作帶來了很大的方便，為電子槍的熱設(shè)計(jì)提供了有效途徑，ANSYS有限元分析軟件便是其中之一[2]。近年來國(guó)內(nèi)外利用ANSYS軟件對(duì)電子槍的熱分析開展了一些工作。文獻(xiàn)[3]利用對(duì)電子槍各電極的溫度分析，對(duì)陰極支持結(jié)構(gòu)的散熱能力和支撐強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[4, 5]對(duì)燈絲、陰極和陰極的支撐部分建模，計(jì)算了燈絲的熱輻射、陰極的熱膨脹，通過分析穩(wěn)態(tài)陰極工作溫度均勻性和電子槍加熱時(shí)間解決電子槍的快速啟動(dòng)問題。文獻(xiàn)[6]直接將陰極設(shè)為熱源，模擬和分析了電子槍的工作狀態(tài)，對(duì)電子槍內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，考慮了外界對(duì)流系數(shù)的改變對(duì)電子槍的溫度場(chǎng)分布影響，發(fā)現(xiàn)外界對(duì)流系數(shù)的改變對(duì)電子槍的溫度場(chǎng)幾乎沒有影響。本文利用ANSYS軟件分別對(duì)行波管電子槍的全模型和簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了熱形變分析。
1 電子槍組件的熱形變計(jì)算
行波管電子槍的全模型包括熱絲、熱絲蓋板、熱絲支持片、熱絲陶瓷、陰極、陰極筒、陰極筒支持桿、熱屏筒、熱屏支持架、控制極、控制極支持片、陽(yáng)極、陽(yáng)極支持片、對(duì)中座、對(duì)中座支持片、金屬化槍陶瓷環(huán)、槍端蓋、端蓋支持筒、槍底蓋和連接套。全模型的剖面圖如圖1所示。
由于電子槍的全模型比較復(fù)雜，建模要耗去設(shè)計(jì)人員大量精力，計(jì)算時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，因此建立簡(jiǎn)化模型時(shí)有必要對(duì)結(jié)構(gòu)和幾何形狀進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和處理。電子槍處于工作狀態(tài)時(shí)，高溫部分主要集中在燈絲、陰極和陰極筒3個(gè)部分，而影響電子束參數(shù)的主要是陰極和陰極筒的熱膨脹，因此簡(jiǎn)化模型只對(duì)陰極和陰極筒建模。這樣可以減少建模工作量和計(jì)算時(shí)間。簡(jiǎn)化的模型如圖2所示。